预制构件高效吊装设备总体设计及有限元分析

第33卷第1期机电#$%&'()Vol.33,No.1 2020年1月Development&Innovation of M achinery&E lectrical P roducts J+n.,2020
文章编号：1002-6673(2020)01-014-03
预制构件高效吊装设备总体设计及有限元分析
尹奕明，刘士明
(沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳11016$)
摘要：为提高装配式建筑预制构件在施工现场的高效吊装，设计研发了一种6自由度试验用高效吊装设备，以便于对实际高效吊装设备进行仿真和运动控制试验$本文采用SolidWorks软件对试验用高效吊装设备进行三维设计，完成试验用预制构件吊装设备的总体建模$在此基础上对六自由度执行装置进行重点分析，利用ANSYS软件进行仿真，对其液压驱动剪叉式升降执行装置进行静力学分析。

仿真分析结果表明，试验用预制构件高效吊装设备执行装置满足强度和刚度要求，可进行构件吊运的运动控制及仿真试验，并能为实际高效吊装设备的设计提供一定的参考价值$
关键词：高效吊装设备&预制构件&执行装置&剪叉机构&静力学分析
中图分类号：TU61文献标识码：A doi:10.3969/j.iss/.1002-6673.2020.01.005
Design and FEA of High Efficiency Hoisting Equipment for Prefabricated Components
YIN Yi-Ming,LIU Shi-Ming
(School of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning110168,China)
Abstract:In order to improve the efficient hoisting of prefabricated building components in the construction site,a6—degree—of—freedom test high efficiency hoisting equipment is designed and developed to facilitate the simulation and motion control test of the actual high efficiency hoisting equipment.In this paper, SolidWorks software is used to design the high efficiency hoisting equipment for the test, and the overall modeling of the hoisting equipment for the prefabricated components is completed.On this basis,the six—degree—of—freedom executive device is analyzed,and the hydraulic drive shearing fork lifting executive device is simulated by ANSYS software,and the statics analysis is carried out.The simulation results show that the prefabricated components for test are hoisting efficiently.The standby executive device can meet the requirements of strength and stiffness, can carry out the motion control and simulation test of component hoisting,and can provide certain reference value for the design of practical and efficient hoisting equipment.
Key words:fabricated building；prefabricated parts；scissor—type expansion；cutting fork mechanism；static analysis
0引言
发展装配式建筑是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，为此政府制定一系列对应的制度政策，要求装配式建筑企业提高核心竞争力，完成建筑及构件研发与生产的规模化，通过核心技术研发与创新，提高效率和具体落实质量，实现施工过程机械化和现代化，逐步实现建筑工业化和智能化目前，我国高层装配式建筑要的式重机为进制构件的装作业，国内外都采用流动式起重机为主，对低层工业化建筑构件吊装施工536。

对于采用重机进制构件吊
修稿日期：2019-08-30
作者简介：尹奕明(1995—),男，辽宁'阳人，在读研究生$研究方0：现代工程装备技术。

装的装配式建筑，制构件装过程
一系列，构件制、构件装
度差等。

针对装配式建筑构件吊装施工中存在的问题，国外建筑施工和研发对
工业化建筑施工的智能建造系统546。

自动一体化建造系统，施工业通过“流”式完成，研发的
“ABCS”和“BIG-CANOPY”智能建造系统的工作平台可附
建筑施工的，机及构件
装，可实现构件的与吊装功能55，雾外
展对制构件装施工用的
动化机械装置，机械 及施工机的研发两。

为推动装配式建筑构件施工现场的高效装装，“十
”重研发“施工现构件效
装安装关键技术与装备”专项’同时，在国内有众多的企
业对装配式建筑工业化施工进研’建筑科
14
•开发与创新•
技大学的王帅冏研究了钢筋混凝土预制构件吊装自动取
放吊具的研究与设计，采用三维设计软件对高效吊装设
备进行总体及关键零部件的设计，并对关键部件进行了
力学分析。

综上所述，本文为提高装配式建筑预制构件在施工
现场的高效吊装,采用SolidWorks软件设计研发了一种
六自由度试验用高效吊装设备，提出基于液压系统的剪
叉机构，并对剪叉机构进行静力学分析。

1试验用构件高效吊装设备总体方案设计
1.1吊装设备总体方案设计
构件高效吊装设备的总体结构如图1所示，主要由
行走台车系统，行走小车，固定支撑架，起重承载梁，专用
吊具组成，其中专用吊具与行走小车通过回转支撑连接。

在图1所示中的专用吊具主要用于进行竖向构件的吊装，其由2个液压油缸驱动的伸缩式剪叉机构、两个剪叉
间距调整机构和回转支撑架等组成。

预制构件通过起重
承载梁沿固定支撑架的行走、行走小车沿起重承载梁水
平移动和伸缩式剪叉机构实现3个方向的水平移动，由
回转支撑实现预制构件的回转运动，通过分别控制剪叉
机构的构件的装度，通过
式剪叉之间的距离来实现预制构件吊点的改变。

因此，设计的试验用预制构件高效吊装设备具有六个自由度，通
过操作系统的控制，专用吊具将预制构件运输到安装位置，并同时完成姿态调整与就位安装，从而解决传统吊装
装置中需要人工辅助作业的问题，提高吊装作业的整体
效率和安全性。

行走小车及回转专用吊具
图1装配式建筑预制构件吊装装置的总体结构图
Fig.l Overall structure diagram of the assembly-type building prefabricated member hoisting device
1.2高效吊装设备的工作原理
试验用预制构件吊装设采用类似双梁门式起重机的
总体布局形式，具有大车行走机构、小车行走机构和起升
机构，并在行走小车上挂有360。

回转专用吊具，其专用吊
具实现预制构件升降运动、吊钩间距调整和构件姿疮。

机构通过机动
剪叉机构现，动机
剪叉机构部，通过
液压的动为剪叉机构
的升降提动力。

剪叉
机构动，进
现构件度的，
如图2所示。

回转机构为典型的起重机
械回转结构，回转上支座顶部
与行接，回转下
支座与吊具框架连接，回转上
支座与回转用回转
接。

通过机驱动
蜗杆回转，使吊具框架带动整
用吊具绕回转轴线转
动即实现构件在水平面内姿态
调整，如图3所示。

机构的采用动
推杆、电机和机架采用对称分
布的式，电动推杆和滑动机
架，滑动机架与剪叉机构上端
1.!"机$
2.%缸
3.)*
4.)+框$
图2液压驱动剪叉机构
Fig.2Hydraulic-driven
fork mechanism
1.吊具框架
2.回转支撑连
接法兰3.回转驱动4.减速
电机5•行走小车
图3起重回转支撑结构
Fig.3Lifting and
rotating support
structure
都采用固定连接的方式，滑动机架与吊梁上直线导轨采用动接的式，如图4所示°
1•滑动机架
2 2.电机
3•电动推杆
4•直线导轨及吊梁
5•剪叉机构
图4吊钩间距调整装置
Fig.4Hook spacing adjusting device
2剪叉机构有限元仿真
2.1单元的选择和连接结构件处理
剪叉机构的剪叉杆全部是方钢制作而成，在有限元分析中单元类型选用Beam188。

剪叉机构中液压油缸是二力构件，选用Link180单元进行模拟。

在实际工作中，剪叉杆和连接杆较接点是通过轴连接，剪叉接处对转对，在建模过程中，要各部分的接问题。

本文限元分析中，采用节自由度耦合技术来模拟各部分的连接。

CPINTF命令可以界面上节在误差范围内的节点自动耦合，并能一次自动耦合节，对于剪叉的接用CPINTF命令来耦合将更简便而有效。

2.2参数化进行有限元模型的建立
15
•开发与创新・
通过参数化设计语言APDL 编写剪叉机
构建模的命令流文件，生成剪叉机构的有限元 模型°其中剪叉杆和连接杆材料选用钢Q345"
液压油缸部分选取活塞杆的直径，其面积为 1600mm 2实心圆管，油缸座选用!15x l5mm 圆
管，最下端的连接杆选用!20x 2.5mm 圆管°选 取滑块两个位置进行分析：最大行程550mm ,
最小行程260mm 。

整个剪叉机构运动的有效行 程为975mm 。

剪叉机构中材料的弹性模量E=2.05e5MPa ,泊松比"=0.3,质量密度取p =
图5剪叉机构的 有限元模型
Fig.5 Finite element model of shear fork mechanism
7850kg/m 3o 最终的有限元 模型如图5所示，模型中 含有节点346个，单元345个。

2.3施加边界条件
本文研究设计的剪叉机构在工作 3结束语
过程中，剪叉机构的两种极限位置工 况分别为顶端滑块最大行程与最小行
本文基于Solidworks 和Ansys 建立了试验用构件高
程，在平台额定载荷的作用下，计算剪 叉机构关键零部件的变形和 「情
况。

对剪叉机构进行分析时，对于顶 端滑块较接点施加x 、y 、z 的3个方向
平动自由度和绕x 、z 的2个方向转动
自由度的约束。

考虑剪叉机构的自重，其重力加速度g=
9.8m/s 2，在最下端吊钩连接轴施加额定载荷200kg o
2.4分析结果
当ANSYS 求解器完成求解后，进入ANSYS 后处理
器， 中， 取模型计算后各种结果信息。

两 限位置 下 剪叉 机构的 位 和
图，位移和应力云图如图6、7所示。

计算 ， 剪叉机构最大 形位 剪
叉机构端，最大形25.7mm 。

在滑块 最大行程
550mm 所 最大 为 253.19MPa ， 位 液压油 缸
(a )滑块最大行程变形图
(b )滑块最大行程应力云图
图7滑块最大行程剪叉机构的变形与应力云图
Fig.7 Deformation and stress cloud diagram of maximum stroke shear fork
mechanism of slider
座 剪叉杆 接 , 其 位的 小 用 256MPa ，满足强度。

效吊装设备三维CAD 的模型和有限元分析模型，对其关 进件进行
分析，得出如下 ：
设计的 用 构件 设 ， 实
构件 运和 ， 为 构件 效 运动
和
机。

用 APDL 语言建 剪叉机构的 分析模型 ，
并进行
分析。

分析 ，设计的剪叉机构的
度和 度 ， 为为实 构件 效 设 的
发设计
有 的参。

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图6滑块最小行程剪叉机构的变形与应力云图
Fig.6 Deformation and stress nephogram of the minimum stroke fork
mechanism of the slide block
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